田普建， 葛正浩， 石美濃， 金 龍

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

木塑復合材料是以塑料和植物纖維為主要原料，通過不同的復合方法生成的高性能、高附加值的新型復合材料，兼有木材和塑料的雙重特性，作為理想的木材替代品，還具有傳統(tǒng)木材和塑料所不及的性能.與木質(zhì)材料相比，具有干濕狀強度高、尺寸穩(wěn)定性能好、材質(zhì)均一、耐水性能好、強重比高等優(yōu)點，且易制成各種形狀的模壓制品；與塑料、金屬材料相比，具有熱穩(wěn)定性能好，低毒、不銹蝕、成本較低等優(yōu)點[1-4].木塑復合材料的力學性能研究成為熱點[5-9].

玉米秸稈纖維作為植物纖維的一種，來源廣泛，成本低廉，用玉米秸稈纖維來代替木材纖維進行木塑復合材料的制備，對于玉米秸稈的資源再利用，以及降低木材消耗量有著積極的意義[4].玉米秸稈纖維和塑料的復合，其界面相容性直接影響所制備的復合材料的性能[2,8-11].本文以玉米秸稈與聚丙烯(PP)塑料為主要原料，采用偶聯(lián)劑對原料進行表面處理，從而達到改善PP和秸稈界面相容性的目的，通過對復合材料力學性能的測試來評判界面改性的效果.尋找最佳的偶聯(lián)劑和各種偶聯(lián)劑的用量等參數(shù)對復合材料力學性能的影響，為系統(tǒng)地開展PP/秸稈復合材料的界面相容性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚丙烯：T30S，熔體流動指數(shù)3 g/10 min，慶陽石化分公司；秸稈粉：標準80目，陜西金禾農(nóng)業(yè)科技有限公司；馬來酸酐接枝聚丙烯：GPM200B，接枝率：1% ，熔體流動指數(shù)28 g/10 min，寧波能之光新材料有限公司；異丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)鈦酸酯：DN-302，分子值量1 310，南京道寧化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-550，山東多維橋化工有限責任公司；鈦酸酯：分析純，南京曙光化工有限公司；PE蠟：臨沂正元石蠟化工有限公司；超微細滑石粉：1 500目，萊州市雙龍礦粉廠；納米碳酸鈣：粒徑50 nm，山西新泰納米材料有限公司；擴散劑：深圳金華圣化工有限公司.

1.2 實驗設備及儀器

注塑機：TT1-130F2V全自動塑料注射成型機，東華機械公司；塑料擠出機：TE-20同向雙螺桿擠出機，科倍隆科亞(南京)機械有限公司；混料機：SHR-5型，張家塔市生光降解塑料機械廠；干燥箱：上海市實驗儀器廠；懸臂梁沖擊試驗機：XJU-22，君瑞儀器設備有限公司；拉伸試驗機： CMT5105，深圳市新三思材料檢測有限公司；彎曲試驗機： CMT5504，深圳市新三思材料檢測有限公司.

2 試樣制備與性能測試

2.1 試樣制備

用80目數(shù)的篩網(wǎng)分撿出秸稈粉中的雜質(zhì)，然后放入干燥箱中，在85 ℃下干燥2 h，去除其中的水分和揮發(fā)物備用.將偶聯(lián)劑(馬來酸酐接枝聚丙烯、DN-302、鈦酸酯或硅烷)、潤滑劑(PE蠟)以及其它助劑，分別加入已經(jīng)烘干的秸稈粉中，在高速混合機中，在80 ℃下攪拌15 min，然后加入PP及碳酸鈣等助劑在60 ℃下攪拌30 min.用雙螺桿擠出機在170～180 ℃制得PP/秸稈粉粒料，用注塑機制備出復合材料的力學樣條(GB/T 1040.2-2006).

復合材料的制備過程及實驗流程如圖1所示.

圖1 實驗流程

2.2 性能測試

本文通過復合材料的沖擊韌性、拉伸強度和彎曲強度等力學性能來評判復合材料界面相互作用的效果，對標準制件的測量主要是材料的沖擊韌性的測量、拉伸和彎曲性能的測量.

根據(jù)國家標準GB1040-79，采用萬能試驗機，以10 mm/min的速度對試樣施加拉伸載荷，直到試樣斷裂.記錄試樣承受的最大力，然后按照拉伸強度公式計算試樣的拉伸強度(MPa).

(1)

式中：b—試樣寬度(10 mm)；d—試樣厚度(4 mm)；P—試樣的最大拉伸載荷(單位：N).

在電子懸臂梁沖擊實驗機，根據(jù)國家標準GB1043-79，測試試樣在高速沖頭作用下產(chǎn)生塑性變形或破壞吸收的能量，然后按照以下公式計算試樣的無缺口沖擊強度(單位：KJ/m2).

(2)

式中：E—試樣產(chǎn)生變形或破壞吸收的能量(單位：J)

在萬能試驗機上，根據(jù)國家標準GB1042-79，控制壓頭以2.0 mm/min速度運動，使試樣發(fā)生彎曲.記錄試樣發(fā)生破壞的最大載荷值，然后按照以下公式計算彎曲強度.

(3)

式中：P—載荷值(單位：N )；L—試樣的跨度(40 mm).

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同偶聯(lián)劑對材料力學性能的影響

采用馬來酸酐接枝聚丙烯、DN-302、鈦酸酯和硅烷作為偶聯(lián)劑分別和秸稈粉復合比較了不同偶聯(lián)劑的效果.

由圖2可以看出，以MAPP作為偶聯(lián)劑時復合材料的抗彎、抗拉伸和抗沖擊性能最好，這主要是由于MAH-g-PP結(jié)構(gòu)中的羧基與秸稈上的羥基形成氫鍵，增強了與秸稈纖維間的作用力，使得秸稈和PP的界面相容性較好，從而使復合材料具有較好的力學性能.

圖2 不同偶聯(lián)劑對材料力學性能的影響

硅烷中的可水解基團乙氧基-(OC2H5)3經(jīng)水解后得H2NC3H6Si(OH)3，與秸稈纖維素中的羥基形成氫鍵，而其氨丙基(-H2NC3H6)則與PP基體鏈發(fā)生物理纏結(jié)，從而提高了復合材料的力學性能.

DN-302為單烷氧基磷酸酯型偶聯(lián)劑，其與樹脂基體沒有可以參加反應的官能團，因此經(jīng)偶聯(lián)處理的秸稈粉與基體PP的相互作用是通過物理吸附而產(chǎn)生較大的界面粘結(jié)強度.同時因為其含有長的脂肪酸碳鏈(辛酸酯基)，能和PP進行彎曲纏結(jié)，從而增強秸稈粉和PP的結(jié)合力，提高二者的界面相容性.

鈦酸酯偶聯(lián)劑則是通過其左端的烷氧基-(CH3)2CHO水解并與秸稈纖維素中的羥基形成氫鍵，右端基團與樹脂基體發(fā)生化學親和或物理纏結(jié)，從而產(chǎn)生偶聯(lián)作用.

四種偶聯(lián)劑中硅烷、鈦酸酯和DN-302處理的秸稈粉和PP的相互作用以物理纏結(jié)為主要途徑來提高復合材料的力學性能，MAPP通過形成氫鍵來提高復合材料的力學性能，相比其他偶聯(lián)劑，具有較好的表面處理能力.

3.2 偶聯(lián)劑含量對復合材料的力學性能影響

分別改變硅烷、鈦酸酯、MAPP和DN-302的含量來研究各個偶聯(lián)劑的含量對復合材料力學性能的影響.圖3(A-C)分別顯示了4種偶聯(lián)劑不同含量下復合材料的抗拉強度、抗彎強度和抗沖擊強度，可以看出，當硅烷含量在3%時復合材料的抗彎曲強度、抗拉伸強度及抗沖擊強度均達到峰值，隨著硅烷含量繼續(xù)增大，性能呈現(xiàn)波動狀態(tài)，變化不大；當鈦酸酯含量在3%時抗彎曲強度、抗拉伸強度及抗沖擊強度均達到峰值，之后各值波動不明顯；當DN-302含量在4%時抗彎曲強度及抗拉伸強度達到峰值，抗沖擊強度在3%時達到峰值，之后各值隨偶聯(lián)劑含量的增大波動不明顯；當MAPP含量在4%時，復合材料的抗彎強度、抗拉強度及抗沖擊強度達到峰值.

對于硅烷、鈦酸酯和DN-302 3種偶聯(lián)劑來說偶聯(lián)劑用量過少，秸稈粉表面改性不完全；而偶聯(lián)劑用量過多，則粘度增大，偶聯(lián)劑的碰撞幾率增大，使得偶聯(lián)效果下降，同時過剩的偶聯(lián)劑也會阻礙有效偶聯(lián)劑對PP的纏結(jié)，從而會降低秸稈粉與PP的界面相容性，使得復合材料力學性能下降.

以MAPP作為偶聯(lián)劑對秸稈粉進行處理，復合材料的各項力學性能隨著MAPP用量的增加而增強，當MAPP用量超過4%時，復合材料的力學性能的變化均隨著MAPP用量增加而降低.這是由于MAPP的增加使得粘度增加，使羧基和秸稈上的羥基接觸的幾率減小，從而影響氫鍵的形成.所以隨MAPP偶聯(lián)劑用量的增多，復合材料的力學性能反而下降.

圖3 偶聯(lián)劑含量對復合材料 力學性能的影響

3.3 秸稈粉含量對材料力學性能的影響

秸稈纖維在復合材料中一方面起到纖維增強作用，但同時由于秸稈纖維和聚丙烯界面應力的存在又會使材料性能下降，所以秸稈纖維的含量比例對復合材料的性能也有較大的影響.

通過分別加入20%、30%、40%、60%的秸稈纖維進行實驗.如圖4所示，隨著秸稈纖維含量的增加，復合材料的抗拉、抗彎強度均是先增大后減小，當秸稈纖維含量在30%以下時，隨著秸稈纖維含量的增加，纖維對提升復合材料的抗拉、抗彎性能效果逐漸上升，而當秸稈纖維含量超過30%時,復合材料的抗拉、抗彎強度發(fā)生了不同程度的降低.抗沖擊強度則隨著秸稈含量的增加而降低.這是由于秸稈纖維含量過高，容易在聚丙烯基體中發(fā)生團聚，不能被聚丙烯均勻有效包裹，不僅破壞了基體的連續(xù)性，而且還增大了材料中產(chǎn)生空洞等缺陷的幾率，從而導致材料的力學性能下降.

圖4 秸稈粉含量對材料力學性能的影響

4 結(jié)束語

(1)以MAPP為偶聯(lián)劑的復合材料力學性能最好.

(2)MAPP作為偶聯(lián)劑且質(zhì)量分數(shù)為4%時，材料的抗彎、抗拉強度、抗沖擊強度均為最佳，當MAPP質(zhì)量分數(shù)超過4%時，材料的力學性能會有所下降.

(3)秸稈粉質(zhì)量分數(shù)在30%左右時，木塑復合材料的抗彎強度、抗拉強度、抗沖擊強度均為最佳，當秸稈粉含量大于40%后，材料性能開始下降.

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